用于空間快速指向機構(gòu)的輕量化反射鏡研究

萬淵 熊恒 宋鐵強 劉繼橋 侯霞,*

用于空間快速指向機構(gòu)的輕量化反射鏡研究

萬淵1,2熊恒1宋鐵強1,2劉繼橋1,2侯霞1,2,*

（1中國科學院上海光學精密機械研究所 航天激光工程部，上海 201800） （2中國科學院大學，北京 100049）

為了滿足空間激光通信和激光雷達載荷中快速控制反射鏡的使用需求，研制了一種輕量化SiC反射鏡。首先，根據(jù)指向機構(gòu)的使用工況和動力學響應要求，對反射鏡結(jié)構(gòu)的安裝形式以及輕量化進行了優(yōu)化設計；其次，通過有限元仿真分析，計算出反射鏡的動態(tài)特性和安裝使用中的面形變化，模擬出鍍膜應力對反射鏡面形的影響；最后，結(jié)合鍍膜應力的產(chǎn)生機理和作用方式，在反射鏡光學加工階段預制面形補償，解決了反射鏡鍍膜中面形退化問題。測試結(jié)果表明，反射鏡在裝配過程中的面形變化均方根（RMS）≤0.005（為波長，=632.8nm），反射鏡安裝后的最終面形變化RMS值為0.019，可以滿足系統(tǒng)使用的指標要求。該反射鏡的結(jié)構(gòu)設計與分析流程以及鍍膜加工方法可以應用到其他類似反射鏡的設計與加工過程。

快速控制反射鏡 輕量化 鍍膜應力 有限元仿真 預制面形

0 引言

空間激光通信、空間激光遙感對激光的指向有著極高的要求，所用的光學系統(tǒng)往往需要快速控制反射鏡（Fast Steering Mirror，F(xiàn)SM）對激光光束進行精準快速的定位。FSM可以通過系統(tǒng)輸入的控制信號快速輸出二維高精度的角度。目前常用的FSM驅(qū)動方式包括音圈驅(qū)動和壓電驅(qū)動，其中壓電陶瓷驅(qū)動的FSM具有無電磁干擾、執(zhí)行分辨率高、低功耗、高速響應等優(yōu)點，被廣泛的應用于空間遙感、通訊等領(lǐng)域[1-6]。隨著激光應用系統(tǒng)性能及應用指標的不斷提升，F(xiàn)SM也向著更快的響應速度、更小的體積以及更高指向精度的方向不斷發(fā)展。本文所研究的FSM主要應用于激光雷達領(lǐng)域，為了獲得更好的激光探測能力，激光在出射時需要對其進行擴束，來降低出射激光的發(fā)散角，激光經(jīng)擴束后其光斑直徑達到40mm左右，由于反射鏡與激光光束存在一定夾角，反射鏡直徑的實際需求為≥60mm。目前空間應用中壓電驅(qū)動的FSM反射鏡直徑一般≤30mm，例如：歐空局研制的大氣激光雷達載荷ATLID（ATmospheric LIDar）所使用的CEDRAT公司的FSM，其反射鏡直徑為27mm[7]；中國科學院上海技術(shù)物理研究所在空間量子通信中使用的德國Physik Instrumente公司研制的 S330.8SL型FSM反射鏡，其高動態(tài)性能模式下的直徑為24.5mm[8]；哈爾濱芯明天科技有限公司推出了多款快反鏡產(chǎn)品，其中S34系列已應用于衛(wèi)星激光通信中的激光束對準，其反射鏡直徑為25mm[9]。目前國內(nèi)在大口徑FSM研究方面也開展了相關(guān)工作：2016年，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制了一種壓電陶瓷驅(qū)動大口徑FSM，其反射鏡采用微晶玻璃材料通過背部膠粘的形式與機構(gòu)相連，直徑為100mm，質(zhì)量為450g，該FSM已應用于激光通信地面檢測驗證設備中，但系統(tǒng)體積質(zhì)量較大，不具備空間環(huán)境適應能力，目前無法應用于空間載荷[10]；2018年，上海技術(shù)物理研究所提出了一種大口徑FSM，其反射鏡為長軸128mm、短軸90mm的微晶玻璃橢圓鏡面，與FSM驅(qū)動機構(gòu)通過背部膠粘的形式相連，質(zhì)量為293g，目前該FSM已完成了原理樣機的研制，但在振動、溫度波動等空間環(huán)境下的穩(wěn)定性還有待驗證[11]。對于壓電驅(qū)動的大口徑FSM而言，負載質(zhì)量、慣量的增大會導致動態(tài)性能的降低，同時過大的負載會顯著降低機構(gòu)壽命及可靠性，目前國內(nèi)正在研發(fā)的大口徑FSM并未對反射鏡的質(zhì)量、安裝形式等開展針對性的優(yōu)化設計工作，均無法應用于實際空間工程任務中，所以大口徑、輕量化反射鏡的研制是目前空間應用壓電陶瓷驅(qū)動FSM研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難點。

本文根據(jù)空間激光雷達系統(tǒng)的應用需求，針對一種直徑為65mm的FSM反射鏡開展研究，要求反射鏡需具備較高的輕量化和較高的動態(tài)剛度，且面形要滿足安裝使用要求。同時，還要考慮強激光介質(zhì)膜層對反射鏡面形的影響。具體來說，反射鏡需要滿足以下指標要求：1）質(zhì)量≤35g；2）固有頻率≥3 000Hz；3）反射鏡面形變化均方根（RMS）≤0.02（=632.8nm，為波長）。

1 FSM結(jié)構(gòu)組成及反射鏡組件結(jié)構(gòu)設計

1.1 大口徑FSM組成

本文所使用的大口徑FSM的整體結(jié)構(gòu)由反射鏡、鏡片托架、柔性鉸鏈、壓電驅(qū)動器以及安裝底座等5個部分組成，具體如圖1所示。鏡子安裝在反射鏡托盤上，反射鏡通過螺釘連接并固定到支撐板上，支撐板通過4個兩軸柔性鉸鏈連接到4個壓電驅(qū)動器上，壓電驅(qū)動器布置在支撐板底部，并以90°的間隔固定在底座上。反射鏡通過4個驅(qū)動器成對驅(qū)動，反射鏡分別繞兩個旋轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動。

圖1 FSM結(jié)構(gòu)組成

1.2 反射鏡設計

反射鏡作為FSM系統(tǒng)的最終執(zhí)行單元決定了系統(tǒng)的執(zhí)行效率，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分。相同驅(qū)動力的情況下，反射鏡的質(zhì)量、慣量越小，系統(tǒng)的響應速度越高，所以反射鏡的輕量化設計是整個反射鏡設計的關(guān)鍵。輕量化設計必然會降低反射鏡的靜態(tài)剛度和強度，其設計結(jié)果最終需要根據(jù)動態(tài)剛度和面形指標來確定。反射鏡材料的選取需要利用材料綜合品質(zhì)比較的方法進行[10]。對于空間應用的FSM而言，對材料的比剛度以及熱穩(wěn)定性有著極高的要求，從表1中可以看出，碳化硅（SiC）材料具備較高的比剛度，同時也具有較高熱穩(wěn)定性，綜合考慮最終選取SiC作為反射鏡的基底材料。

表1 常見光學材料的特性

本文設計了一種采用中心支撐的反射鏡構(gòu)型，將安裝面和鏡面分別設計在兩個平面上，通過增加中心支撐結(jié)構(gòu)的軸向距離減少安裝應力向鏡面?zhèn)鬟f，如圖2所示，反射鏡采用3個M2螺釘安裝到指向機構(gòu)的鏡片托架?？紤]到FSM動態(tài)性能的要求，又對反射鏡進行了輕量化設計，在反射鏡背面均勻布設 3處Y型加強筋，加強筋寬度為2mm，加強筋厚度從中心向反射鏡邊緣逐漸減小，在減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時又保證了鏡體的剛度；反射鏡設計質(zhì)量為29g，滿足指標要求。具體設計結(jié)果如圖3所示。

圖2 反射鏡與鏡片托架安裝示意

圖3 反射鏡結(jié)構(gòu)示意

反射鏡與鏡片安裝托架采用螺釘連接固定，反射鏡依靠螺釘螺母的安裝預緊力產(chǎn)生的摩擦力來進行位置固定，防止使用過程中產(chǎn)生相對位移。通過有限元仿真來計算螺釘安裝對反射鏡面形的影響，仿真工況設置如下：在施加螺釘預緊力的同時，對其中的一個安裝面與托盤之間同步施加3μm的相對位移，模擬反射鏡與其托架平面不匹配產(chǎn)生的安裝變形（安裝面配合形位公差優(yōu)于3μm），通過Nastran靜力學計算可以得到反射鏡鏡面各個節(jié)點的位移量，采用基于Zernike多項式的數(shù)據(jù)處理算法對面形數(shù)據(jù)進行處理，去除仿真過程中的剛體位移，得到反射鏡面形的偏差評價指標——峰谷值（PV）和波前RMS值[12-13]。反射鏡在螺釘安裝過程中面形變化的計算結(jié)果如圖4所示，其中面形變化PV值為0.027 2，RMS值為0.006 7。

圖4 反射鏡分析后面形變化值

反射鏡組件的動態(tài)特性可以通過模態(tài)分析進行仿真[14-15]。根據(jù)實際的安裝形式，在反射鏡安裝孔位一端做固定支撐約束，反射鏡組件的模態(tài)振型如圖5所示。

圖5 前四階模態(tài)

從圖5中可以看出，反射鏡組件的一階固有頻率為6 437Hz，遠大于FSM對反射鏡的頻率設計要求（≥3 000Hz），故反射鏡組件的動態(tài)剛度滿足FSM使用要求，反射鏡設計合理。

3 反射鏡的光學加工及鍍膜

3.1 反射鏡鍍膜后面形退化

FSM需在強脈沖激光環(huán)境下使用，對反射鏡膜層的反射率和損傷閾值都有著非常高的要求，反射鏡表面需要鍍制相對較厚的介質(zhì)膜，薄膜應力大。當這種應力施加在超高輕量化的SiC上時會對反射鏡面形產(chǎn)生影響。本文所研制的SiC反射鏡在鍍膜后出現(xiàn)了面形退化的問題，鍍膜前反射鏡面形RMS值小于0.02，鍍膜后面形如圖6所示，面形退化成RMS值為0.73，無法滿足使用要求。

圖6 鍍膜后反射鏡面形

3.2 反射鏡面形退化機制

光學薄膜在制備過程中都會存在一定的殘余應力，薄膜制備中過程使用不同的鍍膜工藝以及膜層材料會產(chǎn)生不同大小的膜層應力。由于薄膜材料本身在厚度方向的剛度相對較低，膜層只能在面內(nèi)方向產(chǎn)生壓應力和拉應力（如圖7所示）[16-17]。

圖7 膜層應力

按照應力產(chǎn)生過程以及機理，可以將薄膜內(nèi)部的應力分為熱應力以及本征應力。熱應力主要是膜層以及基底材料的膨脹系數(shù)不一致導致，而鍍膜工藝的溫度與室溫的溫度差又具體決定了這一類應力的最終大小。膜層的熱應力th可以表示為[18-19]：

本征應力用來描述薄膜在制備過程當中膜層材料的晶粒、晶界、空位產(chǎn)生的自身應力，以及膜層材料與基底材料之間的晶格失配所形成的應力，形成機理較為復雜，缺乏相對完整的理論支撐，所以目前薄膜的殘余應力無法通過理論計算進行完整求解。通常情況下，薄膜的殘余應力可以結(jié)合光學檢測手段來檢測比較鍍膜前后的面形變化量，并對其進行估算，但僅限于常見圓柱型基底反射鏡。薄膜殘余應力的計算公式為

3.3 基于層合板理論的鍍膜殘余應力仿真

本文通過有限元仿真模擬薄膜殘余應力對反射鏡的影響。在仿真過程中，熱應力可以通過在仿真模型上施加薄膜制備溫度相對于室溫的溫度差值來進行仿真計算，本征應力和熱應力在本質(zhì)上都表現(xiàn)為膜層的拉張力，計算中可以將本征應力等效為一定量的熱應力進行仿真計算。文中所使用的薄膜由多層Ta2O5以及SiO2制備而成，在有限元模型中膜層通過殼單元中的層合板進行模擬，鋪層形式如圖8所示。反射鏡本體采用實體單元進行有限元網(wǎng)格劃分，膜系應力仿真有限元模型如圖9所示。

圖8 薄殼單元中膜層分布形式

圖9 有限元模型

薄膜制備過程中實驗室環(huán)境溫度為20℃，反射鏡在鍍膜制備過程中的溫度為230℃，因此需要在有限元模型中將230℃的溫度邊界設置加載在膜層單元上。參考式（1）中對熱應力的表述，將模型中膜層單元中材料的膨脹系數(shù)設置為膜層材料相對基底材料的差值（即Ta2O5以及SiO2相對于SiC材料膨脹系數(shù)的差值），計算膜層的熱應力引起的反射鏡面形變化，結(jié)果如圖10（a）所示。反射鏡面形RMS值為0.43、PV值為1.59，可以看出單一熱應力對反射鏡面形變形的貢獻在55%左右。當對膜層施加代表本征應力的等效參考溫度170℃時，即在有限元仿真模型中對將鍍膜溫度設置在400℃，結(jié)果如圖10（b）所示，反射鏡面形RMS值為0.77、PV值為2.87。對比仿真計算結(jié)果以及反射鏡鍍膜后的實測結(jié)果可以看出：有限元分析結(jié)合等效參考溫度可以較為準確地描述反射鏡實際鍍膜過程中的應力變化情況，兩者之間的實際面形RMS值偏差小于5%，分析結(jié)果表明基于層合板理論的有限仿真模型分析精度可以滿足實際工程應用的需求。

圖10 反射鏡鍍膜面形計算結(jié)果

3.4 預制面形的加工方法

該項目用于空間激光雷達載荷發(fā)射調(diào)整機構(gòu)，激光脈沖能量密度較高，膜系設計主要考慮的因素為膜系真空環(huán)境下的損傷閾值及使用壽命。由于很難再對鍍膜應力進一步優(yōu)化，并且反射鏡背部結(jié)構(gòu)復雜，無法通過背部鍍膜來抵消鏡面鍍膜引起的面形變化。綜合上述考慮，本文實現(xiàn)了一種加工及鍍膜的制備方法，具體流程如圖11所示。

圖11 制備流程

加工過程中需要將反射鏡基底面形精度加工至優(yōu)于1/100，鍍膜后對鍍膜面形進行測量并計算反向面形，鍍膜前需使用標準測試平片進行多次試鍍，每次試鍍后鍍膜殘余應力引起的面形變化小于1%時，對鍍膜參數(shù)進行固化，確保每次鍍膜產(chǎn)生的應力重復性滿足要求。加工反向面形的過程需要對反射鏡進行精確定位，反射鏡面由于背部加強筋的存在導致面形存在一定的無規(guī)則性，鏡面預制反向面形的過程中，除了對反射鏡進行中心定位以外，需要隨反射鏡的旋轉(zhuǎn)方向進行定位。如圖12所示，將鍍膜后的面形與反向面形數(shù)據(jù)進行疊加，通過調(diào)整兩者之間的定位誤差進行定位精度模擬計算，可以得到：當定位誤差≤0.4mm時，疊加后面形精度滿足優(yōu)于1/100的要求。

圖12 定位誤差分析

實際加工過程中，在反射鏡鏡面進行激光打標實現(xiàn)幾何定位，反射鏡基底加工完成后在鏡面進行標記，大小為0.1mm，定位精度優(yōu)于0.2mm，均布在反射鏡邊緣，位置如圖13所示。

圖13 幾何定位

通過以上加工工藝，最終鍍膜后實現(xiàn)的反射鏡的面形RMS值為0.018，加工過程中的反射鏡面形如圖14所示。文中所采用預制面形鍍膜制備方法可以滿足工程應用需求。

圖14 加工過程反射鏡面形

4 反射鏡的安裝測試

將反射鏡安裝至指向機構(gòu)上，F(xiàn)SM反射鏡及其安裝后的狀態(tài)如圖15所示，測得反射鏡面形RMS值為0.019，面形精度滿足優(yōu)于0.02的最終使用需求。反射鏡安裝后的面形結(jié)果見圖16。

圖15 反射鏡及其安裝后的狀態(tài)

圖16 反射鏡安裝后面形

5 結(jié)束語

本文根據(jù)星載激光通信、激光雷達對FSM光學口徑及動態(tài)特性的要求，設計了一種中心支撐構(gòu)型的輕量化SiC反射鏡。通過有限元仿真模擬得到反射鏡安裝過程中面形變化RMS值為0.006 7，滿足了反射鏡安裝使用要求，仿真計算得到反射鏡組件的一階固有頻率為6 437Hz，遠大于FSM對反射鏡的頻率設計要求（≥3 000Hz）。此外，還建立了基于層合板理論的鍍膜殘余應力仿真模型，對面形退化進行了仿真評估，計算結(jié)果偏差相對實測結(jié)果≤5%，表明反射鏡設計過程中可以利用仿真方法提前評估鍍膜因素對面形的影響。最終采用預制面形的加工方法實現(xiàn)反射鏡鍍膜后面形RMS值為0.018，機構(gòu)安裝后最終測試面形RMS值為0.019，面形精度滿足空間指向機構(gòu)的使用需求。該反射鏡的結(jié)構(gòu)設計、分析流程以及鍍膜加工方法可以應用到其他類似的反射鏡設計加工過程。

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Research on Lightweight Mirrors for Space Fast Pointing Mechanisms

WAN Yuan1,2XIONG Heng1SONG Tieqiang1,2LIU Jiqiao1,2HOU Xia1,2,*

（1 Aerospace Laser Engineering Department, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China）（2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

In order to meet the requirements of the fast steering mirror in space laser communication and Lidar payloads, a lightweight SiC mirror is developed. Firstly, according to the working conditions and dynamic response requirements of the pointing mechanism, the installation form and lightweight structure of the mirror are designed. Secondly, through the finite element simulation analysis, the dynamic characteristics of the mirror and the surface shape change in installation and operation are calculated, and the influence of coating stress on the reflection surface is simulated. Finally, combined with the generation mechanism and action mode of coating stress, the surface shape compensation is prefabricated in the optical processing stage, which solves the problem of surface shape degradation in the coating of the mirror. The test results show that the surface shape change root mean square (RMS) in the assembly process is less than 0.005, and the final surface shape change RMS after installation is 0.019, which can meet the system requirements. The structural design and analysis process of the mirror and the coating processing method can be applied to the design and processing of other similar mirrors.

fast steering mirror; light-weight; coating stress; finite element simulation; prefabricated surface shape

O439

A

1009-8518(2023)01-0117-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.013

2022-05-12

上海市自然科學基金（22ZR1402600）

萬淵, 熊恒, 宋鐵強, 等. 用于空間快速指向機構(gòu)的輕量化反射鏡研究[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 117-125.

WAN Yuan, XIONG Heng, SONG Tieqiang, et al. Research on Lightweight Mirrors for Space Fast Pointing Mechanisms[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 117-125. (in Chinese)

萬淵，男，1987年生，中國科學院大學光學工程專業(yè)在讀博士研究生，高級工程師。主要從事空間激光載荷方面的研究。E-mail：wanyuan623@siom.ac.cn。

侯霞，女，1975年生，2005年獲中科院上海光學精密機械研究所光學工程專業(yè)工學博士學位，研究員，博士生導師。主要從事空間激光載荷方面的研究。E-mail：hou_xia@siom.ac.cn。

（編輯：夏淑密）